酸浆不同品种叶片遗传差异分析

张巍,徐宜彬,李阳,李金禹

(黑龙江省林业科学院伊春分院,黑龙江 伊春 153000)

0 引言

遗传多样性的研究是种质资源创新利用的基础,而植物表型性状是植物本身遗传因子和环境因子综合作用的综合体现。在长期的自然选择,植物的表型性状会不可逆地形成新表型性状并遗传给后代,即表型性状变异必然蕴藏着遗传变异。因此,通过表型性状来检测植物遗传变异情况,对挖掘基因型资源并加以利用具有重要意义。叶片是植物进行光合作用、蒸腾作用和合成有机物质的主要器官,是植物在生殖生长过程中的主要物质吸收能量来源[1],其形态特征、解剖学特征等会直接影响植物的生理生化、生长发育及繁殖特性,最终影响植物的适应性及进化方向,对观测植物在生殖生长中的合理性具有重要参考价值。

叶片随环境因子的变化是其物质投资和分配格局的具体体现,其中,比叶面积(specific leaf area, SLA,叶面积与干重的比例)在叶片生长早期较大,可以有效反映叶片生长早期的光资源获取能力。相反, 叶片干物质含量(leaf dry matter content, LDMC,鲜重与干重的比率)在生长前期则较小,反映了发育初期叶片的含水率及代谢活动规律。这2项指标也可以在一定程度上证明植物受环境饰变后的遗传性状。

酸浆(Alkekengiofficinarum)属茄科(Solanaceae),酸浆属(Physalis)是多年生草本植物。果肉柔嫩多汁,酸甜爽口,花萼、全草及根均可入药,具清热、利咽、化痰、行水之功效[2],是一种果药兼用的经济植物。目前对于酸浆的研究主要集中于栽培、药用成分含量及医学用途等方面,而对于酸浆的遗传变异及品种遗传性状差异研究目前还处于空白。

为进一步探讨酸浆不同品种叶片遗传差异及不同品种在人工种植后的遗传变异情况,在对本研究所使用的引进种源及本地区野生种源2个试验材料进行综合分析的同时,通过变异系数(CV) 、比叶面积(SLA) 、叶片干物质含量(LDMC) 3个指标的计算[3],完成酸浆在小兴安岭伊春林区统一种植后的叶片遗传变异情况的数据分析,试图观测探讨酸浆不同品种在栽植后的遗传性状变异规律,进而为酸浆遗传育种构建提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本次试验所用试验样地位于黑龙江省友好县伊春森工友好林业局公司蓝莓产业园区内,试验样区0.34 hm2。样区日照时数2 430.4 h,年降水量633.2 mm。年平均温为0 ℃,无霜期110 d,年积温2 000～2 280 ℃,冬季平均温-16.2 ℃,年平均降水量为640 mm,无霜期110 d,土壤为暗棕壤。设计样区土壤pH为5.57,有机质含量为12.35%,全效氮(N)含量31.49,全效磷(P)含量198.46,全效钾(K)含量203.54[4]。

1.2 试验材料情况

课题组于2020年从吉林省果树研究所引进酸浆新品种“大红灯笼山菇娘”,同时在小兴安岭伊春林区收集野生酸浆种质资源“挂金灯酸浆”。于当年在小兴安岭伊春林区“伊春森工友好林业局公司蓝莓产业园区”内统一建立试验样地1处,2个品种分区栽植,栽植密度、方法及田间管理方式相同。

1.3 研究方法

叶片采集于2022年7月,为保证数据准确,采集方式为依据品种不同,分别以全株上、中、下3个部位的叶片为采集对象,每株各部位采集2片叶片,每个品种共采集样本30株[5]。采集后将叶片洗净,依据各部位叶片进行分别测量。测量指标主要有叶片长、叶片宽和叶片鲜重,同时计算叶面积、长宽比和叶形系数等。

叶片重测量方法为将叶片洗净后称取叶片鲜重,然后置于80 ℃干燥箱中烘干2 h至恒重,称量样品干重[6]。运用式(1)—式(3)进行测算,其中叶片干物质含量(leaf dry matter content,LDMC,鲜重与干重的比率在公式中用LDMC表示)、比叶面积(specific leaf area,SLA,面积与干重的比例在公式中用SLA表示)、变异系数(在公式中用CV表示)的计算[7],公式如下

LDMC=叶干重/叶湿重。

(1)

SLA=叶面积/叶干重。

(2)

CV=(SD/MN)×100%。

(3)

式中:LDMC为叶片干物质量;SLA为比叶面积;CV为变异系数;SD为标准偏差;MN为平均值。

叶柄长用游标卡尺测量,叶面积用杭州大吉光电仪器有限公司的YMJ-A叶面积仪进行测量。数据分析用SPSS19.0完成,其他数据用WPS-Excel 2020进行相关分析。

2 结果与分析

2.1 不同酸浆品种叶片分析

以本次试验材料所测算数据为基础,由表1可知,挂金灯酸浆品种叶片长度取值范围为4～8 cm,经组内离散程度分析表明,其总体数值集中分布于6.07～6.99 cm。叶片宽度取值范围为3～7 cm,总体数值集中分布于4.23～5.77 cm。叶片长/宽比总体平均值为1.36。引进酸浆品种叶片明显大于小兴安岭原生挂金灯酸浆品种。其中叶片长度取值范围为9～13 cm,经数据分析其总体数值集中分布于10.3～12.3 cm。叶片宽度取值范围为6～10 cm,总体数值集中分布于7.27～8.53 cm,经计算叶片长/宽比值为1.41,可见2品种叶片虽然因品种不同而存在大小差异,但其形态差异并不显著。

以叶片长度为参考值,对2个品种叶片柄长度分析可知,引进酸浆品种平均叶片长度与叶柄长度比值为3.38,挂金灯酸浆叶长与叶柄长比值为3.80。由此可见,在相同比例计算下,挂金灯酸浆品种叶柄比引进酸浆品种叶柄稍长,见表1。

叶面积的准确测定是植物新品种选育、生理发育机制等方面的关键问题,具有重大的现实意义[8-9]。对本研究所选择的2个试验材料进行离散化分析,结果表明,挂金灯酸浆叶面积组内主要集中分布于17.34～44.95 cm2,总体平均值为34.21 cm2。而引进酸浆品种叶面积组内总体分布于68.94～90.76 cm2,总体平均值为76.71 cm2。经计算,引进酸浆品种叶面积大于伊春林区野生挂金灯酸浆品种叶面积55.4%,见表2。叶片是植物生长发育的极为重要的功能器官,因为叶片能为植物各个部分生产有机物质。而能够进行光合作用的叶片又往往决定于叶片与太阳光的接触面积[10]。上述分析证明,2个品种叶片大小差异很大,而作为本研究引进品种,酸浆叶片更大,说明其在获取阳光及自身生殖生长方面更具优势。

2.2 酸浆叶片变异关联性分析

植物表观性状的差异是植物自身遗传因素和环境因子共同作用下,为适应不同的环境,群体和个体间均产生不同程度和形式的变异。植物叶片的形态特征是植物长期适应环境的结果,与植物的生长发育密切相关,具有重要研究意义[11]。干物质含量(LDMC)是判断植物光合作用及分解作用的重要指标。通过对2个酸浆品种干物质量进行计算,引进酸浆品种叶片干物质含量主要分布于0.50～0.58,本地挂金灯酸浆品种叶片干物质含量则主要分布于0.38～0.45。

由表3可知,本次试验材料中,引进酸浆品种叶片干物质量明显高于小兴安岭本地野生酸浆品种,对2样本各自进行组内T检验,结果表明,叶片指数在置信度为95%时2个品种计算系数均小于0.05,表明2个酸浆品种组内分析结果高度相关,不存在明显差异,这代表着品种间产生差异的主要因素是2个品种叶片大小差异,而这种差异来自品种自身的遗传特性。

比叶面积(SLA)为叶面积与叶片干重比的计算结果。其代表着在同一个处理下,受光越弱比叶面积越大。由表3可知,挂金灯酸浆的比叶面积明显大于酸浆的计算系数,说明在相同栽植条件下,因挂金灯酸浆叶片较小于引进酸浆品种,所以其比叶面积计算值较大。

分别对2个酸浆品种叶片开展遗传变异系数(CV)分析,以叶面积为计算单位,结果表明2个品种的表型性状变异幅度为10.05～31.12,平均变异系数为 20.02%。其中引进酸浆品种遗传变异系数为11.85%,挂金灯酸浆遗传变异系数为28.19%。分别以叶片长度和宽度系数为计算单位。通过遗传系数计算结果表明,引进酸浆品种叶片长度遗传变异系数为9.33%;叶片宽度遗传变异系数为12.73%;挂金灯酸浆叶片长度遗传变异系数为11.86%,宽度遗传变异系数为19.39%。同时,通过对2品种叶长、叶宽、叶面积3项指标进行配对样本T检验,结果表明各指标相关系数差异明显。叶片随环境因子变化而产生的物质投资和分配格局是植物适应环境的重要途径之一[12],其在相同生境下的生长发育和性状特征代表着植物与周围环境进行能量和物质交换的基本行为和功能强弱。而在这一过程中,叶片对环境变化的敏感程度可以对植物叶片的遗传变异产生一定影响,即轻微的环境扰动就可能诱导叶片性状发生改变[13]。上述分析证明,引进酸浆品种虽为异地引种,但在小兴安岭伊春林区统一栽植后,无论组内或组间,其遗传变异系数均较小,证明其变异幅度并未因环境因子的改变而加剧,这也代表着其性状的稳定性。而作为小兴安岭林区野生品种,挂金灯酸浆在统一栽植后遗传变异系数较大,说明其受环境影响较为强烈,稳定性不高。

3 结论和讨论

植物个体的差异是由本身遗传因素和环境因子决定的。叶片是植物对环境变化最为敏感的器官之一,受温度、光照和水分等环境条件的影响,植物叶片的长度、宽度、叶柄长度、叶片厚度和叶面积等形态特征会产生变化[14]。本次对不同酸浆品种叶片进行相关数据测算,结果表明,引进酸浆品种叶片包括叶面积在内的各项指标明显大于本地野生品种。对2个品种酸浆叶片干物质含量(LDMC)指标的检测结果也说明,由于引进酸浆品种叶片更大,能量获取更具优势,干物质含量指数也更高。在对比叶面积(SLA)系数计算中也证明,挂金灯酸浆比叶面积系数更大,说明其受光能力越弱,在相同生长环境中处于弱势地位。叶片大小直接影响着植物对光的截取和对碳的获取能力,引进酸浆品种叶片更大说明其可以在生殖生长过程中获得更多的优势和物质累积,这也代表着可以为植株及果实争取到更多的养分。

叶片受控于植物遗传特性,其表型是植物遗传变异和环境差异的共同反映。通过对变异系数(CV)计算表明,引进酸浆品种遗传变异系数为11.85,数值较小,而挂金灯酸浆遗传变异系数为28.19,数值较大。在遗传变异系数计算中,目前一般将变异系数 ≥30的规定为高度变异,15≤Cv<30 的为中度变异,<15 的为低度变异。本次引进酸浆品种来自吉林省果树研究所,上述计算表明,虽为跨省引进,但遗传变异系数仍处于低维度变异区间,说明试验材料基因型稳定,组内分化不明显,并未因外部因子改变而出现环境饰变。挂金灯酸浆虽为本地野生品种,但对于遗传系数计算证明其处于中度变异区间,说明其容易受环境影响而产生遗传变异,组内分化严重。植物表型的遗传变异程度是植物适应不同环境因子的外在表现,挂金灯酸浆这一生物学特性也可以视为遗传选育的先决条件,抑或是选育高产品种、新品种的遗传途径参考之一。